Радиальное и осевое усилия, действующие на рабочее колесо. Механизм их образования и способы уравновешивания.

Радиальная сила образуется только в одноступенчатых насосах, содержащих спиралеобразный отвод. Поскольку сечение спиралеобразного отвода увеличивается от начала к концу, то скорость движения жидкости в отводе снижается, а давление увеличивается. Как следствие этого в спиралеобразном отводе образуется равнодействующая сил давления, направленная радиально. Для компенсации радиальной силы в спиралеобразном отводе выполняют перегородку, делящую вторую половину отвода на две полости (рис. 26). Полость, прилегающая к колесу, представляет собой зеркальное отражение первой половины спиралеобразного отвода. Благодаря этому между перегородкой и колесом образуется радиальная сила, равная по величине, но противоположная по направлению силе, образующейся в первой половине спиралеобразного отвода.

Осевая сила образуется в насосах содержащих рабочие колеса с односторонним подводом и расположенных на валу с одинаковым направлением входной части. Механизм образования осевой силы у колеса с односторонним подводом иллюстрирует рис. 25.

При выводе основных зависимостей примем, что жидкость, расположенная в зазоре между корпусом и по обе стороны колеса вращается со скоростью, равной половине угловой скорости вращения колеса ω_ж=ω_к/2.

Давление в зазоре между колесом и корпусом (на передний или тыльный диск) р(r) будет складываться из давления на выходе колеса р₂ и давления р_ω(r), обусловленного действием на жидкость центробежной силы: р(r)=р₂ – р_ω(r). (47)

Величина центробежной силы, действующей на элементарный объем жидкости будет равна:

dР_ω=ρ2πrdr , (48)

где r – текущее значение радиуса в зазоре; δ – ширина зазора.

Элементарное давление dр_ω, создаваемое действием на жидкость центробежной силы на расстоянии r от оси колеса будет равно:

dр_ω= . (49)

Закон распределения давления в зазоре получим выполнив интегрирование уравнения (47):

р_ω(r)= . (50)

Эпюры распределения давления на левый и правый диски колеса приведены на рис. 27. Из рисунка видно, что площадь эпюры давления на левом диске меньше, чем на правом и, как следствие этого, результирующая осевая сила направлена в сторону всасывания.

Наличие осевой силы отрицательно сказывается на работе подшипников вала насоса, поэтому прибегают к различным способам уравновешивания или компенсации осевой силы (рис. 28).

Наиболее простой способ уравновешивания осевой силы – встречная или разнонаправленная установка рабочих колес на валу (рис. 28 а). Данный метод отличается простотой решения проблемы, однако такое расположение колес усложняет конструкцию соединительных каналов и корпуса насоса.

У одноступенчатых насосов консольного типа рабочее колесо выполняют с двумя уплотнительными кольцами и в тыльном диске сверлят отверстия 1, расположенные по кольцу на уровне входного диаметра колеса (рис. 28 б). Благодаря наличию отверстий в тыльном диске колеса эпюра давления на этот диск изменяется и становится практически равной по площади с эпюрой давления на передний диск и, таким образом, сумма сил, действующих на колесо справа и слева, становится практически одинаковой. Недостаток конструкции – увеличенная величина внутренних объемных потерь.

На рис. 28 в) и г) показана конструкция рабочих колес, на тыльном диске которых расположены небольшие ребра (импеллеры). Благодаря этим ребрам увеличивается объём жидкости, вовлекаемый во вращательное движение и, как следствие, возрастает давление р_ω(r), обусловленное действием на жидкость центробежной силы.

Рис. 28. Способы уравновешивания осевой силы на валу центробежного насоса:

а) – встречное расположение рабочих колес (F₁, F₂ – осевые силы); б) – рабочее колесо с двумя уплотнительными кольцами и отверстиями 1 в тыльном диске; в), г) – ребра (импеллеры) на внешней стороне тыльного диска рабочего колеса; д)– самоустанавливающееся разгрузочное устройство (гидравлическая пята): 1 – рабочее колесо; 2 – корпус; 3 – дренажное отверстие; 4 – кольцо упорное; 5 – зазор; 6, 8 – камеры; 7 – диск пяты; 9 – радиально-осевой канал; Р_н – давление нагнетания; F_о – осевая сила; F_г – гидравлическая сила.

Размер ребер подбирают таким образом, чтобы эпюра давления жидкости на тыльный диск была равновелика по площади эпюре на передний диск. При этом осевые силы, действующие на рабочее колесо насоса, уравновешиваются. К недостаткам такого уравновешивания осевых сил относится усложнение конструкции колеса и увеличение потерь, связанных с вращением жидкости.

Величина осевой силы у секционных насосов пропорциональна количеству секций и разности площадей тыльного и переднего дисков и она может достигать больших величин. Поэтому для уравновешивания осевой силы используют специальное самоустанавливающееся разгрузочное устройство - гидравлическую пяту (рис. 28 д). Работа гидравлической пяты проходит следующим образом. Жидкость, выйдя из рабочего колеса последней секции под давлением р_н равном давлению нагнетания,по заору между тыльным диском рабочего колеса 1 и корпусом 2 и по радиально-осевому каналу 9 подводится в камеру 8, образованную диском пяты 7 и упорным кольцом 4. По другую сторону диска в разгрузочной камере 6 на диск действует давление близкое к давлению всасывания, поскольку эта камера соединена дренажной трубкой 3 с всасывающим патрубком насоса. Под действием перепада давления между камерами 6 и 8 на диске пяты 7 образуется гидравлическая сила F_г, направленная в противоположную сторону суммарной осевой силе F_o рабочих колес. Диаметр диска пяты 7 и упорного кольца 4 выбран таким, чтобы образующаяся гидравлическая сила при начальном положении вала насоса немного превышала суммарную осевую силу рабочих колес. В результате этого вал и жестко соединенные с ним рабочие колеса и диск пяты переместятся вправо относительно корпуса 2. При этом между диском 7 и кольцом пяты 4 образуется зазор 5 по которому часть жидкости перетекает из камеры 8 в разгрузочную камеру 6. Величина зазора в процессе установившегося режима работы насоса автоматически поддерживается такой, при которой гидравлическая сила на диске пяты 7 становится равной суммарной осевой силе рабочих колес. Благодаря такому конструктивному решению, диск и кольцо пяты при работе насоса в установившемся режиме не касаются друг друга и их износ минимален; их кратковременное касание происходит только в момент пуска и остановки насоса.